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Variabilité biologique des lignines
Bernard Monties
To cite this version:
Bernard Monties. Variabilité biologique des lignines. Cellulose Chemistry and Technology, Editura Academiei Romane, 2005, 39 (5-6), pp.341-367. �hal-02672471�
C EL L U LOS E C: II E,II IST RY AAI D T EC FI,\ O LOG T'
VARIABILITÉ BIOLOGIQUE DES LIGNINES
BERNARD NIONTTES
INR"4: Equipe Parois I/égétales et luIatériau-x Fibretx, ck4, 5t686, Reims
INA P-G" Chaire de Chimie Biologique, Campus de Crignon, 78760, Thiverval-Grignon, France
T h i s p a p e r is dedicated t o P r o f . C r . I . Simionescu t o g r e e t his tenacious and steady contribution to the d e v e l o p m e n t o f o p e n a n d free scientific exchanges, 'dans le respect de la diversité culturelle de chacun, .
Received February 24, 2004
This review is strictly focussed on macromolecular chemistry Views concerning the relations between the molecular structure of lignins. the possible self-organisatiàn of lignin netrvorks during plant cell walls lignification and the mechanical properties of rvoody plants and of their related products (pulp and papers, rvood as composite material). Recent advances in genetic manipulations and biotechnolôgical improvement of lignification cell walls and related products is emphasiz"à ut introduction. Then, the molecular organisation of lignins, the supramolecular aspects of lignification and, finally, some mechanisms of chemical morphogenesis and biomimetic synthesis are reviewed. A spatial-temporal model, combining activation and inhibition effects, is proposed to accountthe formation of Iignin clusters observed during in situ lignification and in virro synthesis of lignin polymers (DHp). This model and the conesponding molecular organisation hypothesis are discussed in relation to the so called 'self-organisation' effects, as depending on the cooperative interactions betiveen cell wall components, including water, on autocatalytic initiation of lignin polymerisation by peroxidases, and on some physical and chemical intermolecular chain arrangement and rearrangement observed or suggested to occur d{ing chemical pulping and mechanical deformation of r.vood. An English translation of this paper, more exactly expressed hêre in French, is in preparation for 'Internet open access', as the last of three reviews concerning the 'biological variability the states and processes of lignification' and the corresponcling 'mechanical
behaviour of woody plants and products'.
Key words : plant cell wall. xylem, morphogenesis, self-organisation, cooperative interactions, metachLromatic behaviour, paper, wood material, cellulose, hemicellulose.
pectin, lignin, lignin polysaccharide complex, LCC, DFIp, fibre.
Celltrlose Chem. Technol.,39, 5-6, 3jl-362 (20A5)
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INTRODUCTION
Bernard lvlonties
Durant ces vingt dernières années, les progrès significatifs en matière de biologie moléculaire végétale ont permis de mieux connaître la multipticité des voies de métaboliques ainsi que la complexité des mécanismes génétiques qui contrôlent la biosynthèse des unités monomères constitutives des iigninès.
Complémentaires des connaissances établies déjà par les chimistes, polyméristes et mécaniciens des tissus de soutien végétaux, des bois, des pâtes et des papiers, ces avancées ont suscité de grandes espérances en matière de valorisation de ces composés lignocellulosiques naturels et de leurs produits dérivés : bois, papiers. De nombreuses publications et revues détaillées ont illustré cet engouement et les espoirs suscités par la possibilité de manipulation génétique de la lignine et des propriétés de ces produits lignifiées : seulement quatre d'entre elles, parmi les plus récentes et exhaustives, ne sont citées ici qu'à titre d'exemples,r't fuui" de placô.
Dans les domaines moléculaires de la biologie, des manipulations génétiques avancées ont, en effet, contribué à faire mieux identifier la diversité des 'lignines transformées', la variabilité des parois lignifiées correspondantes ainsi que la plasticité génétique et épigénétique des états et des processus de lignification. par contre coup, elles ont aussi conduit, à retrouver plus exactement et à reconnaître plus généralement, certain,des aspects caractéristiques des 'lignines naturelles' déjà bien identifiés et définis' dans les végétaux non transformés. Telles sont par exemples, dans les domaines de la biochimie, la variabilité de leur composition monomérique et des types de liaisons entre monomères des diverses lignines l'5 ainsi que, dans les domaines de cytochimie et biologie générale, ieurs Jifférents types de localisation subcellulaire et de morphologie tissulaire observées entre les cultivars, les variétés, les espèces, les écotypes et les mutants.3'6 Ces caractéristiques originales étaient pourtant déjà très clairement envisagée et discutée en détail dans les ouvrages 'anciers',
édités respectivement dès 1952 et l97l par F.E. Brauns et par K.V. Sarkanen,"o pu, exemple.
Dans la perspective actuelle de valorisations des composés lignocellulosiques évoquées plus haut, la situation est pourtant devenue plus compliquée en terme de I'interprétation des résultats de ces transformations et donc de la prévision des effets de ces manipulations génétiques.
Ainsi, au plan de la prévision des résultats tant mécaniques que papetiers, des effets spécifiques et parfois très spectaculaires, d'ingénierie génétique ont été prévus et obtenus quand à la composition en monoméres et leurs modes de liaisons entre monomères.''" Concernant des gènes particuliers à la biosynthèses des monomères, Çes transformations pourtant bien ciblées, ont cependant permis de constater I'existence de multiples 'autres effets imprévus' snr les lignines en tant que polymères,eu ainsi que -.
sur les parois végétales en tant qr.r. systèmes macromoléculaires organisés.nb Ces effets inattendus sont en générai giobâlement expliqués en termes d'interactions et régulations métaboliqu.t'o et génétiqu.s.'De, effets comparables, de Upes pléiotrope et épigénitique ont été d'ailleurs rapportés
Variabilité biologique dcs lignines
aussi chez des mutants et cultivars de plantes non manipulées.rl-r3 Affectant la structure et la biosynthèse et donc I'organisation pariétale non seulement des lignines, mais aussi des celluloses et des autres polymères osidiques, ces observations ont rendu plus difficile I'analyse moléculaire de ces effets, et donc la prévision fine des propriétés ultimes des parois végétales et des produits dérivés.
Elles confirment encore,ea' eb' lt'12la
nécessité de préndre plus finement en compte les mécanismes physico-chimiques d'organisation macromoléculaire 'spontanée' de ces systèmes, dont la diversité est souvent encore dissimulée sous le concept ur-ritaire de 'autoorganisation'. De plr.rs, ces observations laissent souvent sans réponse, la question du contrôle et de la régulation, par un ou plusieurs facteurs, de ces processus et des états colrespondants de lignification. Bien que essentiellel en vue de la maîtrise ultime de la qualité des parois et produits lignocellulosiques, cette dernière question n'est pas considérée dans cette revue qui concerne surtout le domaine de la biochimie structurale. En dépit de ces limites, des relations originales et significatives ont été mises en évidence entre les 'propriétés de produits lignifiés' et 'les variations d'organisàtion moléculaires, au sèns-large, des lignines'. La grande variabilité de la Iignificatio'n est maintenant ainsi bien démontréer{
tant au plan de Ia production biologique que de celui des transformations technologiques. Dans'le domaine de la papeterie, ce fait a été clairement exprimé par D. Dimrnel et col.l3u't'o qui ont soulignè, qt.,. :la composition et Ia structttre des Iignines petnent être manîpulées bien au delà de ce qui avait été anticipé autrefois' et que 'certaines qualités inusuelles des prodttits pourraient résulter de modifications du mode de dépôt des composantes des parois vëgétales en réponse à, et en conxpensation de, I'altérations de la structure de Ia Lîgnine'; ces deux aspects sont précisés par la suite.
Dans le domaine de la mécanique des parois végétales et de la technologie du 'bois-matériau',
ces deux remarques sont tout autant applicabtes. Cependant, concernant I'interprétation des observations et la prévision des effets de transformations biotechnologiques, I'analyse des relations entre 'structure moléculaire' et 'propriété mécanique' est plus compliquée encore puisque les connaissances macromoléculaires des lignines sont beaucoup moins avancées que dans le dornaine papetier. En matière d'effets moléculaires rnécaniques de'la' lignine, les analyses n'étaient qu'a peine ébauchées il y a quelques décades.7'* Elles ne sont encore actuellement que rarement pratiquées et interprétées en termes d'interactions moléculaires, de structures macromoléculaires et surtout d'organisation spatialet4'15 des constituants des parois végétales. Actuellement, les comportements macromécaniques des bois et composites lignocellulosiques peuvent pourtant être représentés précisément au moyen de relations mathématiques. _ mr-rltivariables prédictives des comportements des couches subcellulaires ;r6 ils sont aussi analysés au plan micromécanique, en termes d'ultrastructure orientée des fibres végétales dans les couches pariétales et des interactions entre les polymères constitutifs des bois.eb' r6' 17 Parallèlement, le
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3-r4 Bernard lvlonties
comportement mécanique des composantes fibreuses de celluloses amorphes, soit indépendantes soit réticulées, peut être fidèlement simuléesrSo'b grâce aux procédures de mécanique moléculaire qui permettent de prévoir quantitativement I'importance des effets de déformations, de glissement et de fluage entre les chaînes polymères cellulosiques. Ces modélisations ont conduit à souligner l'importance mécanique générale des dimensions des interfaces, 'interphases polymères', dans les parois cellulaires des bois.le De plus, l'importance mécanique de tels effets aux 'interphases' est en accord avec les observations résultant de synthèses biomimétique récentes de composites mécaniquement résistants, comparables aux complexes lignine-polyosides naturels, et réalisés autant après modification de la surface de fibres cellulosiqu.s'o qu. après des mélang.r uur.
des polymères naturels, amidons, que artificiels.t' L'ensemble de ces données ouvre donc, malgré tout, des perspectives encourageantes de modifications tant biomimétiques que biotechnologiques des propriétés mécaniques et de I'organisation dite'spontanée' des systèmes lignocellulosiques.
En fait, il s'agit là d'effets généraux d'auto-organisation, reoonnus largement par ailleurs en biochimie22a'b'c .t plus récemment en génomique appliquée.23 Au plan strictement macromoléculaire de I'organisation des parois
secondaires et de leur lignification, ces potentialités peuvent être par déjà clairement illustrées: 1) au niveau organisation, par I'agencement
végétales
préferenti.l 9.. xylanes et de microfibrilles cellulosiques ensuite consolidé par lignification,ln: 2) au niveau morphogenèse, par I'organisation progressive dans la paroi végétale in vivo de complexes lignine-hérnicellulose sous forme de 'modules tubulaires' constituées de stuctures ressemblant à billes alignées, 'grains en chapelet'ls et enfin: 3) au niveau biomimétique, pâr I'organisation spatio- temporelle in vitro. de dehydropolymères modèles de lignines (DFIP) tant à I'interface airleau 'liquide'24 que en phase 'solide' pecto-cellulosique;25 ces trois aspects sont précisés par la suite.
OBJECTTF DE LA REVT]E
Orientée par des perspectives de chimie macrornoléculaires applicables aux propriétés mécaniques des parois et produits lignifiées, cette revue concerne avant tout les points de vue envisagés plus haut d'organisation et de morphogenèse chimique et biomimétique. Appliquée aux domaines papetiers ei bois-matériau, elle vise les aspects moléculaires d'organisation et de morphogénèse des lignines tant in vitro que in situ, en prenant pour base quelques articles 'choisis' en complément des références citées en Introduction. En aucun cas, cette revue ne prétend donc à exhaustivité. Elle correspond plutôt à une version détaillée d'hypothèses présentées oralement par ailleurs, avec résumé,26 concernant la 'Variabilité chimique et biologique des états de lignification' qui à fait suite à des revues plus biologiques.e'rr,r2
exemples, hélicoïdal
V a r i a b i l i t é b i o l o g i q u e d e s li g n i n e s 3 4 5
L'accent est donc mis ici sur la possibilité d'effets d'autoorganisation. impliquant des interactions moléculaires 'coopératives', susceptibles de conduire par autocatalyse à la formation de structures organisées,l5'2i d'agrégats résultant d'associations interrnoléculaires'colloidalerr.T'8'22 C'est dans la perspective d'identification d'interactions moléculaires internes et externes à des complexes lignine-polyosides que sont envisagées par exemples ensuite, l'organisation des lignines d'échantillons de bois déstructuré par contrainte mécanique,27 celle de structures fibreuses lig-nifiées tant in si/ura'ls que in vitro2a'25 et celle de tiges de mutants d'ArabidopSis-2tu et de Riz28b'' dont la déficience en cellulose est corrélée à des augmentations de teneurs globales en hémicelluloses et lignines sans que le déterrninisme de ces 'effets de lignification' soit encore expliqué en termes de génét ique app I iq uée aux particu larités macromécan iqr"re du végétal.eb' I 2
ORGANISATION BT PROPRIETES
DES COMPOSES LIGTYOCELLULOSTQUES
Une des difficultés majeures rencontrée au plan structure moléculaire lors des tentatives d'explication des relations'structure-propriétés' des composés ligno- cellulosiques est classiquement représentée par I'emboîtement hiérarchisées d'éléments, allant de 'l'échantillon de bois' aux 'moléçules' tout en passant par les 'fibres végétales'et les'couches subcellulaires'. Les figures I de deux articles citésl7'23 illustrent bien cet aspect. En effet, elles présentent ces 'éléments' constitutifs des parois végétales, rangés par ordre de taille, depuis la tige à la molécule. Au risque de devenir 'illisibles' de telles figures ne peuvent cependant pas rendre compte aussi, des interactions multiples, inter- et intra- éléments, qui font de la 'structttre composée' représentée un'système', c'est-à-dire un 'ensemble dans lequel dufait cle ses interactions, chacun des élérnents perd toute ou partie de I'individttalité symbolisée par I'image individualisée, artificielle et donc parfois artéfactuelle, qui spécifie chacun de ses éléntents', et qui ne leur est conférée que par le mode rnême de représentation. Outre l'énorme disparité d'échelle des tailles entre ces élérnents, du nanomètre au centimètre, c'est surtout par la prise en compte de ces interactiot'ts, que sont donc abordées ici, les relations entre propriétés mécaniques et I'organisation macromoléculaire des composés lignocellulosiques.
Dans le domaine papetier, le caractère réussi, original et très significatif de certairtes transformations génétiques réalisées a déjà été souligné en Introduction.
Dans le cas de Peupliers 'transgéniques' pour la biosynthèse cie différents motromères de lignine,2'30 il a, par exemple, été possible d'expliquer les avantages techniques des conditions de mise en pâte, 'pulpage' chimique et de blanchiment, par des variations de 'simple' cornposition moléculaire des lignines (teneurs en liaisons cr- et B-aryl-allq/l-éther labiles ainsi que en fonctions phénoliques ionisables) sans avoir à prendre en compte leur 'complexe' organisation supramoléculaire. Par
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contre' dans le cas des performances macromécaniques, résistance à l,éclatement, à la traction de formettes des pâtes chimiques et surtout des pâtes mécaniques correspondantes, le degré de condensation des lignines s'est avéré bien moins discriminant et des propriétés physiques macromolélulaires telles que la transition vitreuse des lignines et le gonflement des polyosides ont du Ctre irnpliqués, surtout dans le cas des pâtes mécaniques.'o Un type à'effets.semblable a étè rapporté dans le cas cette fois de mutants 'naturels' de Pin, lla,b dont les .ururtérirtiques macromoléculaires des lignines ont été analysée avec plus de détails, isolement et mesure de 'masses moléculaires' et de volumes hydrodynamiques de fractions de lignine, comparaison des cinétique des trois phases de cuissons alcalines et kraft, indice 1 de pennanganate des pâtes, formation et aspects de feuilles et formettes.
Des différences significatives de qualité de ces produits ont été décrites et rapportées non pas seulement à la composition rnoiéculaires des lignines et des polyosides mais aussi aux modifications correspondantes de leuis propriétés macromoléculaires et des interactions entre ces polyrnères ainsi qu'à I'arrangement spatial des 'fibres' dans les forrnettes de papiers. Bien que établiès pour le moment sur la base de comparaisons d'un nombre limité'd'arbres, ces données démontrent, sans ambiguilé, I'importance des modifications du mode de dépôt, morphogenese, des divers polymère da'ns
l?t parois végétales en réponse-aux modifications génétiques et épigénétiques,r2 corrélatives-à I'altérations de la .structure, de la lignine' ; tel est certainement aussi le cas des mutants d'Arabidopsis et de Riz .à tiges cassantes', cités plu haut. De nettes différences ayant été d;.plus observées sur ces effets en fonction de l'age, du génome et de ia p.ou.nunô" d. .., pin, mutants, ainsi que des Peupliers transgéniques, I'ensemble de ces résultats conduit à souligner I'impoftance des conditions biôlogiques de développement et donc des modalités de leur morphogenèse, tant biologique que chimiqu., .nuirugée ici elsuite.
A ce titre, l'importance relative des mécanismes dé déformat]on entropiques des fibrilles élémentaires de cellulose, qui sont susceptible d'expliquer le retrait longitudinal des fibres papetières pendant leurs déligirifications'industriellejô;:;
mérite une évaluation beaucoup plus fine. Il en va de même pour l,application de théories plus 'modernes', percolation dans les réseaux polymèr6 pu. études de diverses délignifications papetières en réacteur à écoulèmànt, qui ont confirmé I'existence d'au moins deux 'types de lignines' suggérée bien avant.i-s"-u'tz Ces éhrdes ont permis, en effet, d'identifier deux sortes de fractions de réseaux polymères, .gel de lignine', de polydispersités et dimension fractales differentes et iui-proviendraient respectivement de la lamelle mitoyenne et de la paroi secondaire cellulaià.3r
Dans le domaine du bois matériaux, le récent compte rendu de copférence de la Société Européenne de Mécanique du Bois édité par L. Salmen, l,ensemble des cornmunications sur [e thème 'Micromecanics'et
lei publications plus spécifiques de cet auteurrT'32 ainsi que d'autres déjà citésl2'16're ont montré sans ambiguité l'importance de I'orientation préférentielle des diverses composantes polyrnères fibreuses et amorph€s, y compris des ligninesl6,l7,20,32 b'. dans I'explication des
Variabil ité biologique des lignines 347
performances mécaniques statiques et dynamiques des bois 'natifs', non transformés, et des matériaux dérivés. La situation est tout aussi clairement illustrée dans les cas de plantes transgéniques et de mutants, déjà évoqué plus haut.
Dans le cas des mutants à tige cassantes d'Arabidopsis,lso de très significatives réductions de la contrainte maximum et du module de flexion trois points, des tiges ont été observées et mises en corrélation avec une forte réduction de leur teneur en cellulose, sans que soit cependant observée de nette variations des teneurs globales en hémicellulose et lignine, ce qui n'est cependant pas le cas chez les deux mutants de Riz.28b'' Pour expliquer la faible résistance relative des tiges d'Arabidopsis mutants à la cornpression, en absence de variations claire de lignification et alors que les teneurs en lignines sont couramment corrélées à ce mode de résistance, dans les bois de compression par exemple,2T' 31 il est raisonnable d'admettre avec ces auteurs que c'est l'organisation spatiale même des lignines, qui est modifiée en conséquence de la déficience correspondante de la structure cellulosique. Dans le cas des Riz mutants, par contre, une 'compensation' mécanique par lignification est envisable; elle pourrait résulter non seulement d'un effet 'quantitatif de masse de matière mais aussi 'qualitatif de réticùlation, d'organisation spatiale et de réarrangement spatial des enchaînements polymères pariètaux. Cette hypothèse, qui mérite cependant validation, est cohérente avec de nombreuses autres observations biologiques, concernant a: I'orientation anisotrope des rnonomères des lignines au contact des fibres cellulosiques, b: la réorientation de fibres cellulosiques des parois secondaires en cours d'épaississement lors de leur lignification, c: la modifrcation par des inhibiteurs de la biosynthèse des celluloses, des modalités de dispersion des lignines dans les trachées vasculaires de Zinia, et enfin d: la similitude de comportement avec d'autres mutants à tige cassantes, Riz et Fétuques, qui ont déjà été revus par ailleurr.ea'b'l I'12
De plus, toujours dans la perspective de la caractérisation fine des propriétés rnécanochimiques des assemblages lignoceilulosiques, il est important de considérer aussi I'existence d'effets de solvatation in sittt des composantes polymères par des rnolécules 'simples', de I'eau en particulier. L'existence d'intenses effets mécaniques de plastification de systèmes polymères par solvatation et hydratation a été clairement décrite et précisée depuis longtemps de façon générale3a ainsi que dans les cas spécifiques de frbres papetières3oo'b et des bois.rT Une illustration complérnentaire est fournie par les modifications des propriétés viscoélastiques de tiges de Tabacs pourtant peu lignifiées," induites par manipulation génétique de lignification. Comparant les modes de relaxation des contraintes et les composantes des modules viscoélastiques dynamiques des xylèmes normaux et manipulés de ces tiges à différentes vitesses, humidités et températures, les auteurs ont observé des comportements reproductibles, mais différents de ceux de bois mature. Ces comportements rappellent ceux de gels peu réticulés ou de solutions de polymères très enchevêtrés. L'existence d'importants effets de déformation permanente, observés surtout chez les plantes modifiées
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conduit donc à admeftre, avec ces auteurs, une réduction du degré de réticulation des polyrnères pariétaux dans les transformants, en particulier celle de leurs éventuels complexes lignine-hémicellulosiques. Comme de plus ces effets dépendent de la température et sont accentués à l'état humide, il est justifié d'admettre aussi, au niveau moléculaire, I'existence d'un déploiernent par fluage sous contrainte des chaînes polyrnères, 'désenchevêtrement', facilité par I'hydratation, 'plastification',
de ces enchaînements. Ces chaînes et complexes polyosidiques éventuellernent lignifiés, seraient ainsi préalablement repliés en 'pelote', dans l'état 'natif du xylème. Alors que nornbre d'autres possibilités d'explications sont évoquées par les auteurs, un tel modèle par 'déploiement - repliement', classique3a et simple, semble suffisant et ..1u, rnèt . si les interprétations proposées par ces auteurs des résultats d'extractiolr, d'identification et de plastification chimique d'une 'fraction' de lignine. dites 'soluble', exige absolument validation.
Au total, et quelles que soient donc les interprétations sur ces derniers points, ces observations, jointes aux précédentes, confirment l'intérêt de tenter de fonnuler plus en détail , au niveau moléculalre, des 'pbssibilités d'interactions susceptibles d'afecter les proprtétés supramoléculaires des systèmes lignocellulosiques'. A ce titre, trois aspects strucfuraux, évidemment non exhaustifs, sont donc abordés par la suite; ils concentent, respectivement, I'organisation supramoléculaire puis la morphogénèse chimique et biologique d'agrégats de lignines et enfin, pour terminer, des aspects plus biologiques, hétérogénéité corresporldante des fractions de lignine et mécanisme de peroxydasiques amorçant la polymérisation des précurseurs phénoliques.
STRUCTURE ET ORGANISATION
DES COMPOSES LIGNOCELLULOSIQUES
Concernant d'abord, I'organisation suprarnoléculaire des lignines lil sita tout en restant dans le domaine de la macromécanique des bois, des observations cytochimiques faites après coloration métachromatique de faciès d'organisation d'échantillons de fibres papetières isolées36 et de bois avant3T-3e et après contrainte mécanique2T pennettent de préciser le première aspect. En effet, des travaux parfois relativernent anciens et confirnrés ont démontré de nettes différences, 'séparations de couleur', de coloration induites par des colorants définis en présence de différents substrats. Ces séparations sont dépendantes à la fois de la concentration en colorant cytologique, de l'état du 'milieu solvant' environnant et du traitement physico-clrimique préalable des substrats observés et, ici lignifiés, Ces observations ont été interprétées en terme d'association-dissociation des rnolécules de colorants au contact de ces objets, donc en fonction de la réactivité de surface des interphases correspotldantes, et donc aussi en particulier ici, de celles des lignines. Ainsi, dans
Variabilité biologique des lignines 349
le cas de fibres papetières isolées,36 des variations de couleurs du rouge au vert clair, 'métachromatisme', d'acridine orange adsorbée sur des fibres, thermo- mécaniques et chimiques, ont été attribuées à la présence de lignines parce que la fraction 'cellulosique' n'est pas alors affectée. L'intensité de ces variations a été corrélée aux quantités de lignine résiduelle liée à ces fibres papetières purifiées.
Ces effets rnétachromatiques sont donc affribuées à I'adsorption du colorant sous formes respectivement de monomères pour la couleur vefte et de dimères et oligomères pour la couleur rouge. Dans le cas de désorganisations mécaniques par contrainte délibérée27 ou accidentelle lors de coupes cytotogiques3T'38b'3e ou de prétraitement chimiques,"u des effets métachromatiques analogues, qui peuvent être aussi envisagés comme des artéfacts analytiqu.s,no ont été décrits avec d'autres molécules simples colorantes etlou fluorescentes. Spécifiquernent rapportées à l'état local de la lignification et non pas seulement aux quantités globales de lignines, ces changements de colorations ont été aussi attribués à la rupture de liaisons entre lignine et cellulose démasquant cette dernière.27 Attribuables aussi à I'existence d'associations réversibles entre ryolécules adsorbées de colorants, elles semblent donc résulter d'interactions plutôt supra- et macro-moléculaires colloidales, impliquaot des complexes ligno-cellulosiques pariétaux au sens large.
Dans la premiere perspective, la possibilité de rupture mécanochimique de liaisons de valence, avec formations de radicaux libres et désorganisation de la phase lignifiée supportée, ne peut être exclue à priori,a0 La possibilité et même I'activation de tels clivages de liaisons covalentes lors de confinement de sites réactifs aux interphases est en effet démontrée expérimentalement.al'42 Cependant, la possibilité de modification des modalités d'interactions non covalentes, de type ioniques, hydrogène et surtout dipolaires à courte distance, dites 'hydrophobes', semble au moins tout autant à prendre en considération dans la mesure ou chacune d'elle est susceptible de faciliter I'organisation de systèmes supramoléculaires stabilisés par interactions de coopérativité lors de la formation de ces liaisons. Cette demière modalité confererait ainsi au processus moléculaire global d'organisation le caractère spontané d'autoorganisation observé. Dans ces conditions, la possibilité d'intercalation de molécules monomères de colorants par 'face à face' entre les cycles aromatiques des lignines dans les agrégats préexistants des réseaux polymères de lignine reste possible ; elle été clairement démontrée.43 Ce dernier mécanisme est suffisant pour rendre compte des différents effets métachromatiques cités plus haut, par un effet non covalents, dit 'monomérisant', attribuées aux lignines 'natives'. Déplaçant les équilibres d'associations, dimérisation non covalente, établis en phase aqueuse entre molécules monomères de colorants, la combinaison de ces interactions provoquerait la recomposition d'associations stables inhibant le métachromatisme, même en milieu aqueux concentré. Cependant, il est vraisernblable que le processus de 'monomérisation' soit en fait plus compliqué comme semblent I'indiquer quelque observation spectroscopique des interactions
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entre des colorants et des complexes lignine- hémicelluloses pectiques. des lignines et même des acides phénoliques.t*o'b'''nt Ces dernières observations suggèrent, en effet, I'existence de transferts électroniques et cornplexes par transfert de charges dont les particularités ne peuvent être discutées davantage ici. Visant surtout les aspects mécano-chimiques des parois lignifiées, ces données et hypothèses conduisent à expliquer, au moins en grande partie, ces effets métachromatiques mécaniques2T'37'38b par des rnodification de I'organisation même des lignines déposées au cours de la biosynthèse au contact du 'réseau fibreux cellulosique', au sens large. Une telle réorganisation serait ainsi induite en conséquence de la déformation par 'déploiement-repliement', des structures fibreuses lignifiées qui seraient donc ensuite susceptibles de stabilisations ultérieures, biologique eVou technologique, évoquée en Introduction.l3'14'le:8 Les facteurs, 'moteur moléculaires', en seraient donc surtout la réorganisation sous contrainte des interactions hydrogènes et à courte distance consécutivgs au dépliement par fluage relatif des chaînes polymères en particulier polyosiques,la'i8nb mais aussi très vraisemblablement des fractions les plus souples, peu réticulées et plus linéaires, des réseaux lignines.r2'3r'35 Le mécanisme rnis en jeu serait alors analogues à ceux déjà analysés et bien admis dans le cas-des acides nucléiquesa6 et plus récemment étendu à des stuctures composites d'hétéroglycanes, de protéiques fibreuses63 mais aussi globulaires plus ou moins repliés des ARN et ADN.a7 Les effets métachromatiques observés après désorganisation mécaniques du bois27 résulteraient alors de la désorganisation des agrégats de lignines induite par la déformation par extension irréversible des chaines potyosidiques non cristallines pariétales. Ces dernières seraient aLtparavant statistiquement repliées en pelote dans leur état biosyrtlrétique 'natif
. Les molécules de colorant adsorbés auraient d'autant plus de possiblité d'interactions stables que elles seraient supportées à distance et donc encore 'monomérisées'
par les chaînes plus souples des 'pelotes repliées' polyosidiques, à la stabilisation des quelles elles contribueraient de plus. Sur cette base, il semble raisonnable d'adrnettre I'existence d'une 'organisation supramoléculaire concertée' entre les réseaux de lignines et ceux des structures fibreuses non seulement glycosiques et hérnicellulosiques mais aussi protéiques qui préexistent dans les diverse couches des parois primaires végétales. De tels effets concertés pourraient avoir lieu autant durant le 'dépôt' des lignines par biosynthèse, que après lors du vieillissenrent et les transformations industrielles technologiques par voies mécaniques et ou chimiques des produits lignocellulosiques. Seul, le premier de ces aspects est envisagé par la suite.
Enfilt, et toujours en terme d'organisation, la présence d'importantes quantités relatives d'eau, déja envisagée plus haut, eau dite 'libre', de 'solvatation', de 'structure', etc. ..., dans tous ces produits mérite d'être soulignée, l'eau devant être de ce fait considérée, au même titre que les polyrnères majeurs en masse, comme une des quatre 'éléments' qualitativement majeurs et intégrants des
V a r i a b i l i t é b i o l o g i q u e d e s li g n i n e s
,systèmes' ligno- hémi-ceilulosiques. Extrapolant aux monomères et surtout aux oligornères phénoliques moins polaires des lignines, une des relations formulée récemment à propos du comportement des colorants métachromatiques,ot il semble possible de représenter le comportement associatif des complexes solvatés entre ' l e s ' lignines: L , e t ' l e s ' f i b r e s c e l l u l o s i q u e s : C , e n m i l i e u s o l v a n t : S , i c i I ' e a u , par la relation (1):
( 1 ) ( L - S ) + ( P - S ) = ( L C - S ) + ( S - S )
dans laquelle S représente non pas la seule molécule d'eau mais ses agrégats supramoléculaires. Une telle relation suffit pour expritner ici, le fait que des réarrangements du 'solvant' aux interphases de ces composantes, interviendraient tout autant en terme d'organisation, structurale et thermodynamique, qu'interviendraient aussi des réarrangements des polymères, eux même solvatés, lors des transitions d'état et de déploiement - repliement de leurs chaînes sous contraintes, envisagés plus haut. Faute de d.onnées quantitatives plus précises sur ces complexes LC, il n'est pas possible d'en prolonger davantage la discussion. Au total , il suffit alors $e souligner que de nombreuses publications peuvent dés à présent servir de base pour aborder, sous ces aspects d'organisation moléculaire, les mécanismes chimiques et biologiques qui déterminent la mise en forme des lignines en présence de polymères osidiques. C'est le c.q1-g9ur des polyosides piutôt 'acidés', hémicellulosiques et riches en pectin.,l4'25'44a'b de ceux plutôt
;neutres', à base de cellutoses,l3' 17' l8' 20' "'tn tous considérés comme 'hydrophiles' alors que la polarité des lignines serait de l'ordre de celle d'alcools à courte chaîne:
propanol,2s et cela, sans oublier I'existence de fonctions ionisables de type carboxyles et surtout phénoliques dont I'acidité activée par des effets de confinementa2 justifrerait les effets métachromatiques de 'la' lignine avec les
' colorants basiques'.eb'36-3e
STRUCTURE ET MORPHOGENESE
DES COMPOSE S LIGI{OCELLULOSIQUES
L'existence d'arrangements structuraux caractéristiques de 'la' lignine.dans les parois végétales à l'échelle du micromètre est établie depuis longlemps.t't'to Des données précises concernant la rnorphogénèse des parois lignifiés et la mise en forme des lignines en présence des microfibrilles cellulosiques, à l'échelle suprarnoléculaire clu nanomètre, n'ont pu être obtenues que récemment.lo'"'5t Ell.t montrent que, en présence de fibres cellulosiques, la lignification est distribuée, parfois très régulièrement, sous forme d'agrégats, de granules de lignine, de tailles diverses de I'ordre de quelques dizaines de nanomètres, et qui suivent I'orientation des microfibrilles. En accord avec les publications tnoins récentes, ces observations
3 5 1
3 5 2 Bernard Monties
sont interprétées. comme indiquant que I'organisation et donc la polymérisation des lignines est affectée mais affecte aussi celle des polyosides pariétaux préexistants. A ce titre, les données et conclusions de N. Terashima et de ses collaborateurs" sont très significatives au plan de la formation de 'lignine macromoléculaire'. Dans le cas du xylèrne d'un type de conifère, Gingko, ces auteurs ont montré I'existence de dépôts granulaires. alignés en chapelet au long des microfibrilles de celluloses qui sont elle même engainées de diverses hémicelluloses. Ils ont fourni une estimation des dirnensions respectives de ces grains, 'modules de lignine', et de la part relative des ces composantes en suggérant des possibilités d'un contact 'intime' entre hémicelluloses et lignines.
Ces dernières seraient ainsi synthétisées et réparties de façon hétérogène.
Soulignant aussi I'existence, en cours de lignification, d'un alignernent relatif et régulier de ces 'grains de lignine' dans les couches de la paroi secondaire, mais non pas dans les coins plus lignifiés des même cellules, ces auteurs ont de plus admis l'existence de sites de 'nucléation', point d'amorçage localisé de la polymérisation des lignines, qui serait dans ces conditions, déferminée par la structure moléculaire répétitives d'hémicelluloses spécifiques, en accord à d'autres publications.o'5rb
Significatives et irnportantes au plan expérimental, les observation de ces auteurs concernant la morphologie et la variété de répartition des 'grains de lignine' in situ méritent aussi commentaire au plan méthodologique. Bien que établies et discutés de façon extrêmement précise et rigoureuse, ces interprétations et hypothèses ne sont fondées, pour le moment en effet, que sur des observations cytochimiques d'un seul type de bois mature. Très encourageantes, elles méritent cependant validation en terme de structure moléculaire par d'autres méthodes et d'autres plantes. Par exemple, elles pourraient être parallèlernent validées par une approche 'plus biologique' de cette 'mise en fonne structurale' au cours de lignification, en utilisant, en particulier, des mutants ou plantes transgéniques, évoqués en Introduction. Ce type d'étude systématique de morphogenèse in vivo, n'a pas été encore rapportée à notre connaissance. La complexité d'interprétation des résultats envisagée en Introduction suggère même qu'elle serait aussi lourde à conduire que délicate à contrôler et surtout à interpréter. Ces contraintes nous ont ainsi encouragé à poursuivre une approche plus 'chimique' de la mise en forme macromoléculaire des lignines, par modélisation et synthèses de Vpes biochimiqu"sttu'o et enzymologiquest2" qui ont dejà. permis de confirmer la posriUt"
' hétérogénéité moléculaire' in vivo des lignines.'u'"'''
Artificielle, sirnplifiée mais classique car depuis longtemps reconnue cornme source d'hypothèses et d'informations pertinentes dans le domaine de la biosynthèses des lignines, la synthèse in vitro de DHP, modèles de lignines par dehydro-polymérisation oxydative, a donc été conduite avec B. Cathala, en équipes, par analyses des aspects physico-chimiques de la formation de DHP en phases aqueuses hétérogènes, 'morphogenèse chimique', tant aux interfaces, qu'en 'solution' et 'phase colloïdale' à base de pectines avec présence éventuelle de fibres de cellulose bactérienne.tt't 3o'b''
